این پایاننامه به طراحی، ساخت و ارزیابی یک پیشران الکترواسپری (Electrospray Thruster) با تغذیه داخلی (Internally Fed) و فناوری چاپ سهبعدی (3D Printing) برای استفاده در ماهوارههای کوچک، بهویژه کیوبستها (CubeSats)، میپردازد. هدف اصلی پژوهش، ارائه روشی کمهزینه، سریع و سازگار با تولید افزایشی (Additive Manufacturing) برای ساخت پیشرانهایی است که پیش از این عمدتاً با فناوریهای پیچیده و پرهزینه ریزساخت (Microfabrication) در اتاق تمیز (Cleanroom) تولید میشدند. پژوهش با بررسی چالشهای موجود در ساخت کانالهای میکروسیالی با مقاومت هیدرولیکی بالا، دو راهکار اصلی شامل بهینهسازی طراحی شبکه کانالهای سیال و اصلاح رزین مورد استفاده در چاپ سهبعدی را برای دستیابی به عملکرد مطلوب ارائه میدهد.
در این تحقیق، ابتدا مبانی فیزیکی پدیده الکترواسپری، تشکیل مخروط تیلور (Taylor Cone)، قوانین مقیاسگذاری (Scaling Laws) و رژیمهای عملکردی سامانه تشریح شده و سپس الزامات طراحی شامل ولتاژ، نرخ جریان، نیروی رانش، ضربه ویژه (Specific Impulse) و شبکه توزیع یکنواخت سیال بررسی میشود. در ادامه، فرآیند ساخت اجزای پیشران با استفاده از چاپگر سهبعدی مبتنی بر فناوری DLP، انتخاب و اصلاح مواد اولیه، پوششدهی تفلونی و مونتاژ قطعات بهصورت کامل تشریح شده است. در بخش ارزیابی نیز عملکرد نمونه ساختهشده از طریق آزمایشهای نرخ جریان، اندازهگیری جریان الکترواسپری، بررسی پایداری انتشار و برآورد نیروی رانش و ضربه ویژه مورد ارزیابی قرار میگیرد.
نتایج پژوهش نشان میدهد پیشران چاپ سهبعدی توسعهیافته قادر است در محدودههای مختلف نرخ جریان، عملکردی پایدار در حالت مخروط-جت (Cone-Jet Mode) داشته باشد و رابطه میان جریان و نرخ جریان نیز با قوانین شناختهشده الکترواسپری مطابقت دارد. همچنین برآوردهای نیروی رانش و ضربه ویژه بیانگر آن است که عملکرد این سامانه با نمونههای پیشرفته ساختهشده به روشهای ریزساخت قابل مقایسه است. این دستاورد نشان میدهد که استفاده از چاپ سهبعدی میتواند مسیر جدیدی برای تولید سریع، اقتصادی و حتی ساخت تجهیزات رانش در فضا فراهم کند و زمینه توسعه سامانههای رانش الکتریکی نسل آینده را برای مأموریتهای فضایی کوچک و کمهزینه گسترش دهد.
“`html
| سرفصل | شماره صفحه |
|---|---|
| فصل اول: مقدمه | 13 |
| 1-1 انگیزه پژوهش | 14 |
| 1-2 فیزیک الکترواسپری (Electrospray Physics) | 15 |
| 1-2-1 حل هیدرواستاتیکی مخروط تیلور (Taylor Cone) | 16 |
| 1-2-2 قوانین مقیاسگذاری الکترواسپری (Electrospray Scaling Laws) | 19 |
| 1-2-3 رژیمهای عملکرد الکترواسپری (Electrospray Operation Regimes) | 21 |
| فصل دوم: طراحی سامانه | 25 |
| 2-1 الزامات طراحی | 26 |
| 2-1-1 ولتاژ و نرخ جریان | 26 |
| 2-1-2 نیروی رانش و ضربه ویژه (Specific Impulse) | 27 |
| 2-2 بلوک گسیلنده (Emitter Block) | 28 |
| 2-2-1 شبکه سیال: کانالهای انشعابی (Bifurcating Channel) | 29 |
| 2-2-2 بهینهسازی شبکه سیال | 30 |
| 2-3 الکترود استخراجکننده (Extractor Electrode) | 33 |
| فصل سوم: ساخت | 35 |
| 3-1 انتخاب ماده اولیه قابل چاپ | 37 |
| 3-1-1 عمق نفوذ نور و حداقل ارتفاع کانال داخلی | 39 |
| 3-1-2 دقت چاپ (Printing Fidelity) | 43 |
| 3-1-3 سازگاری شیمیایی | 43 |
| 3-2 ساخت بلوک گسیلنده | 45 |
| 3-2-1 چاپ سهبعدی | 47 |
| 3-2-2 پوششدهی تفلونی گسیلندهها | 47 |
| فصل چهارم: ارزیابی عملکرد سامانه | 49 |
| 4-1 راهاندازی آزمایش | 49 |
| 4-2 ارزیابی نرخ جریان | 50 |
| 4-3 اندازهگیری جریان الکترواسپری | 52 |
| 4-4 برآورد نیروی رانش و ضربه ویژه (Specific Impulse) | 54 |
| فصل پنجم: نتیجهگیری | 57 |
| 5-1 جمعبندی پژوهش | 57 |
| 5-2 پیشنهادهایی برای پژوهشهای آینده | 58 |
“`
این پایاننامه با هدف توسعه یک پیشران الکترواسپری (Electrospray Thruster) با تغذیه داخلی که بتوان آن را بهصورت کامل با فناوری چاپ سهبعدی تولید کرد، انجام شده است. انگیزه اصلی این پژوهش، رفع محدودیتهای موجود در ساخت سامانههای رانش الکتریکی برای ماهوارههای کوچک، بهویژه کیوبستها (CubeSats)، است. در سالهای اخیر استفاده از ماهوارههای کوچک رشد چشمگیری داشته و این ماهوارهها برای انجام مأموریتهایی مانند حفظ موقعیت مداری، کنترل وضعیت، تغییر مدار، جلوگیری از برخورد و انجام مانورهای فضایی به سامانههای رانش سبک، کممصرف و قابل اعتماد نیاز دارند. در حالی که موتورهای شیمیایی به دلیل محدودیت در راندمان و میزان سوخت، گزینه مناسبی برای این دسته از ماهوارهها نیستند، پیشرانهای الکترواسپری به دلیل مصرف انرژی پایین، قابلیت کوچکسازی، ایجاد رانش دقیق و امکان دستیابی به ضربه ویژه بالا، یکی از بهترین گزینههای موجود به شمار میروند. با این حال، ساخت این پیشرانها تاکنون عمدتاً به روشهای پیچیده ریزساخت در اتاق تمیز انجام میشد که علاوه بر هزینه بالا، زمان تولید طولانی داشته و امکان تولید در محیط فضا را نیز فراهم نمیکند. این پایاننامه تلاش میکند با استفاده از چاپ سهبعدی، راهکاری اقتصادیتر، سریعتر و انعطافپذیرتر برای تولید این نوع پیشران ارائه دهد.
در ابتدای پژوهش، نویسنده مبانی علمی پدیده الکترواسپری را بهطور کامل بررسی میکند تا مشخص شود چگونه یک میدان الکتریکی قوی میتواند مایع رسانا را به قطرات یا یونهای باردار تبدیل کند. توضیح داده میشود که با اعمال اختلاف پتانسیل میان نوک گسیلنده و الکترود مقابل، سطح مایع تغییر شکل داده و ساختاری مخروطی به نام مخروط تیلور (Taylor Cone) ایجاد میشود. در رأس این مخروط، یک جت بسیار باریک تشکیل میشود که در نهایت به قطرات یا یونهای باردار تبدیل شده و با سرعت زیاد از سطح جدا میشوند. همین فرآیند باعث ایجاد نیروی رانش میشود. در ادامه، روابط ریاضی حاکم بر تشکیل مخروط تیلور، قوانین مقیاسگذاری الکترواسپری و رژیمهای مختلف عملکرد سامانه شامل حالت قطرهای، میکرودریپینگ، مخروط-جت (Cone-Jet Mode)، چندجتی و رژیم یونی مورد بررسی قرار گرفتهاند. هدف از این بخش، تعیین شرایطی است که پیشران بتواند در پایدارترین و کارآمدترین حالت ممکن، یعنی حالت مخروط-جت، فعالیت کند.
پس از تشریح اصول فیزیکی، پایاننامه وارد مرحله طراحی سامانه میشود. در این بخش ابتدا مشخص میشود که برای دستیابی به عملکرد مطلوب باید چه شرایطی از نظر ولتاژ، نرخ جریان سیال، مقاومت هیدرولیکی، نیروی رانش و ضربه ویژه فراهم شود. نویسنده برای انتخاب سیال پیشران از مایع یونی EMI-BF4 استفاده میکند؛ زیرا این ماده دارای فشار بخار بسیار پایین و هدایت الکتریکی بالا است و در شرایط خلأ عملکرد مناسبی دارد. سپس ساختار کلی پیشران معرفی میشود که از دو بخش اصلی تشکیل شده است: یک بلوک پلیمری شامل آرایهای از گسیلندهها و شبکه کانالهای میکروسیالی و یک الکترود استخراجکننده از جنس فولاد ضدزنگ. وظیفه شبکه میکروسیالی، توزیع یکنواخت مایع بین تمامی گسیلندهها است تا تمام نقاط سامانه تقریباً رانش یکسانی ایجاد کنند. نویسنده نشان میدهد که یکنواخت نبودن جریان میان گسیلندهها باعث کاهش راندمان و کاهش نیروی رانش کل سامانه خواهد شد؛ بنابراین طراحی این شبکه یکی از مهمترین بخشهای پایاننامه محسوب میشود.
یکی از مهمترین مشکلاتی که این پژوهش قصد حل آن را دارد، دستیابی به مقاومت هیدرولیکی بسیار زیاد در کانالهای داخلی است. در سامانههای تغذیه داخلی، اگر مقاومت کانالها کافی نباشد، نرخ جریان بین گسیلندهها متفاوت خواهد شد و در نتیجه برخی گسیلندهها زودتر فعال شده یا رانش بیشتری تولید میکنند. این موضوع باعث کاهش راندمان کلی پیشران میشود. در گذشته این مشکل با روشهای پیچیده ریزساخت یا استفاده از ساختارهای خاص در داخل کانالها برطرف میشد، اما چنین روشهایی برای چاپ سهبعدی مناسب نبودند. نویسنده ابتدا یک طراحی مبتنی بر کانالهای انشعابی ارائه میکند که از نظر هندسی مسیرهای تقریباً یکسانی برای همه گسیلندهها ایجاد میکند، اما آزمایشها نشان میدهد که این طراحی هنوز یکنواختی جریان مطلوب را فراهم نمیکند. به همین دلیل مدل ریاضی جدیدی برای تحلیل اختلاف فشار، خطای ساخت و مقاومت هیدرولیکی ارائه میشود تا بتوان بهترین ابعاد کانالها را تعیین کرد. این مدل نشان میدهد که افزایش طول کانالها و انتخاب مناسب شعاع آنها میتواند اختلاف دبی میان خروجیها را به حداقل برساند و عملکرد سامانه را بهبود دهد. در نهایت طراحی بهینهای معرفی میشود که طول و ابعاد کانالها بر اساس محدودیتهای چاپ سهبعدی انتخاب شدهاند.
بخش مهم دیگر پایاننامه به فرآیند ساخت اختصاص دارد. نویسنده از چاپگر سهبعدی DLP برای تولید بلوک میکروسیالی استفاده میکند. یکی از چالشهای اساسی در این بخش، انتخاب رزینی است که هم دقت ابعادی مناسبی داشته باشد و هم بتواند کانالهای داخلی بسیار کوچک را بدون مسدود شدن تولید کند. در فرآیند چاپ سهبعدی، نفوذ نور به داخل رزین ممکن است باعث پخت ناخواسته رزین درون کانالها شود و مسیر جریان را ببندد. به همین دلیل پژوهش به بررسی عمق نفوذ نور، جمعشدگی رزین، تغییر شکل قطعات و سازگاری شیمیایی مواد با مایع یونی میپردازد. چند نوع رزین بررسی شده و در نهایت با اصلاح ترکیب رزین و افزودن مواد مناسب، امکان چاپ کانالهای داخلی کوچکتر از نمونههای قبلی فراهم میشود. همچنین برای جلوگیری از خیس شدن سطح گسیلندهها، نوک آنها با پوشش تفلون پوشانده میشود تا عملکرد الکترواسپری پایدارتر گردد. این بخش نشان میدهد که موفقیت پروژه تنها به طراحی وابسته نبوده، بلکه انتخاب صحیح ماده اولیه و تنظیم دقیق پارامترهای چاپ نیز نقش تعیینکنندهای در کیفیت نهایی دستگاه داشتهاند.
پس از ساخت نمونه اولیه، مرحله ارزیابی عملکرد آغاز میشود. در این مرحله سامانه در یک محفظه خلأ قرار گرفته و با اعمال فشار و اختلاف ولتاژ، رفتار پیشران بررسی میشود. آزمایشها شامل اندازهگیری نرخ جریان سیال، بررسی پایداری انتشار الکترواسپری، اندازهگیری جریان الکتریکی و برآورد نیروی رانش و ضربه ویژه هستند. نویسنده نشان میدهد که نمونه ساختهشده در چندین نرخ جریان مختلف میتواند بهطور پایدار در حالت مخروط-جت فعالیت کند. همچنین رابطه میان جریان الکتریکی و نرخ جریان با قوانین شناختهشده الکترواسپری مطابقت بسیار خوبی دارد که نشاندهنده صحت طراحی سامانه است. در ادامه، با استفاده از نتایج اندازهگیریها، نیروی رانش و ضربه ویژه محاسبه شده و با نمونههای ساختهشده به روش ریزساخت مقایسه میشود. نتایج نشان میدهد عملکرد سامانه چاپ سهبعدی در بسیاری از شاخصها قابل رقابت با نمونههای پیشرفته موجود است و این موضوع مهمترین دستاورد عملی پژوهش محسوب میشود.
در جمعبندی، این پایاننامه نشان میدهد که فناوری چاپ سهبعدی میتواند جایگزین مناسبی برای بسیاری از فرآیندهای پرهزینه ریزساخت در تولید پیشرانهای الکترواسپری باشد. پژوهش ثابت میکند که با بهینهسازی طراحی شبکه کانالها، اصلاح مواد چاپ، انتخاب مناسب رزین و کنترل دقیق فرآیند ساخت، میتوان سامانهای تولید کرد که از نظر عملکرد با نمونههای ساختهشده در اتاق تمیز رقابت کند. این دستاورد نهتنها هزینه و زمان ساخت را کاهش میدهد، بلکه امکان تولید تجهیزات رانش در محیط فضا و توسعه نسل جدیدی از سامانههای پیشران برای ماهوارههای کوچک را نیز فراهم میکند. در پایان نیز پیشنهاد میشود که تحقیقات آینده بر توسعه آرایههای بزرگتر از گسیلندهها، اندازهگیری مستقیم نیروی رانش، بهبود مواد چاپی و افزایش دقت فرآیند ساخت متمرکز شوند تا عملکرد این فناوری بیش از پیش ارتقا یابد.
بسیار سریع و ساده می توانید اصل این پایان نامه را به صورت فایل PDF در اختیار داشته باشید.